Solutions durables pour le traitement de l’eau potable en région rurale

L’eau potable en région rurale contient souvent de très hauts niveaux de contaminants en raison de l’efficacité moindre des systèmes de traitement par rapport à ceux de grande envergure des milieux urbains. Et si nous pouvions imaginer des méthodes durables d’élimination des contaminants comme les nitrates, afin d’assurer la qualité de l’eau potable?

Le traitement des eaux en milieu rural comporte certains défis de taille. En effet, l’eau des régions rurales est souvent contaminée aux nitrates en raison de l’utilisation d’engrais, des fosses septiques et de l’entreposage ou de l’épandage de fumier. Cette situation entraîne souvent des concentrations de nitrate qui excèdent les niveaux acceptables dans l’eau potable selon les normes.

Or, éliminer les nitrates de l’eau potable représente un défi en soi dans ces communautés rurales. Faute de posséder de vastes et complexes systèmes de traitement des eaux comme dans les villes, les régions rurales doivent se tourner vers des solutions innovatrices et durables pour traiter l’eau de façon efficace.

Pour être propre à la consommation, l’eau potable doit contenir moins de 50 mg/L de nitrates, selon les lignes directrices mondiales. Toutefois, dans certaines régions rurales comme celles étudiées par WSP en Australie-Occidentale, il n’est pas rare d’observer des concentrations de nitrates variant entre 70 et 130 mg/L.

Méthodes classiques

Les systèmes de traitement pour l’élimination des nitrates dans les sources d’eau souterraine se subdivisent habituellement en trois procédés : l’osmose inverse (OI), l’électrodialyse inverse (EDI) et l’échange d’ions (IX). Tous ces procédés permettent d’atteindre les normes de qualité mondiales de concentration de nitrates, soit moins de 50 mg/L. WSP a réalisé une étude de cas en Australie-Occidentale, qui a permis de démontrer que certains de ces procédés n’arrivaient pas toujours à atteindre les normes maximales de qualité de l’eau, soit un taux de nitrates de moins de 20 mg/L.

Au moment de la vérification de la qualité des eaux souterraines à cet endroit, le procédé privilégié pour le traitement consistait en l’osmose inverse. Cependant, avec ce procédé, on a constaté un écart assez important entre les niveaux de nitrate prévus initialement et les résultats finaux, tout comme un faible taux de récupération, ce qui entraînait un plus grand volume de déchets.

Une étude de WSP sur la qualité de l’eau dans 93 communautés a mis en lumière certains problèmes pour les deux autres procédés également. L’EDI n’est pas vraiment dans la course du fait qu’il n’est offert que par un seul fournisseur en Australie; difficile donc d’obtenir un prix concurrentiel, puisque l’équipement doit être importé sous forme d’usine complète. Ce procédé nécessite par ailleurs des opérations et un entretien complexes et des stocks consommables coûteux. Qui plus est, ce système a connu des problèmes de non-conformité dans certaines régions.

Quant au procédé IX, le principal problème résidait dans le flux de déchets contenant un haut taux de chlorure de sodium : quelles seraient les répercussions sur l’étang d’épuration qui recevrait ce flux de déchets?

Proportions estimées des technologies d’élimination des nitrates actuellement utilisées en Australie

*Les résultats du processus IX se fondent sur les données de systèmes de traitement sur le site d’utilisation

Nouvelles méthodes

Dans la cadre de cette étude, WSP s’est aussi intéressée à de nouvelles méthodes, particulièrement à la dénitrification biologique (DB), un processus fréquemment employé dans le traitement des eaux usées, mais plutôt nouveau pour le traitement de l’eau potable. En effet, seules quelques utilisations ont été répertoriées en Europe et aux États-Unis.

Ce procédé utilise un bioréacteur permettant aux bactéries de transformer le nitrate en azote. Dans certains cas, les bioréacteurs sont munis d’un système d’échange de gaz servant à retirer l’azote et à ajouter de l’oxygène.

En principe, ce procédé biologique offre :

  • Une récupération d’eau de près de 100 %
  • Une quantité de boues évacuées presque nulle

De nombreuses considérations sont à prendre en compte afin de choisir correctement le système de traitement pour l’élimination du nitrate, particulièrement dans les cas où le procédé devra se dérouler sans intervention humaine pendant de longues périodes pouvant aller de six à huit semaines. Deux aspects nous intéressaient quant à l’approche biologique : la facilité d’exploitation et le faible volume d’eau usée.

Récupération d’eau et efficacité du procédé

Pour bien établir les coûts associés au procédé biologique d’élimination des nitrates, nous avons utilisé des valeurs réelles d’exploitation et les avons comparées aux valeurs prévues du procédé biologique.

En ce qui concerne l’osmose inverse, la récupération a été limitée à 60 % afin de réduire au maximum la nécessité de détartrage de silice, un problème dans la région.

Le tableau ci-dessous présente les pourcentages attendus de récupération du flux, d’élimination des nitrates et de volume de déchets.

 

Taux de nitrate, volume d’eau usée et taux de récupération (pour produire 550 m3/jour avec une concentration brute de silice de 70 mg/L)

Unité OI* IX EDI DB
Nitrate dans l’eau souterraine mg/l 120 120 120 120
Concentration de nitrate prévue mg/l 40 8 40 <10
Volume d’eau produit m3 550 550 550 550
Volume d’eau usée m3 366 17 61 17
Efficacité du procédé % 60 97 90 97

*Les prédictions de l’OI ont été comparées aux résultats réels dans trois usines exploitées avec des eaux souterraines semblables.

L’une des préoccupations les plus fréquentes en Australie freinant l’utilisation du procédé IX est le fait qu’il utilise du chlorure de sodium (NaCl) pour régénérer la résine. Dans bien des cas, l’on ne tient pas compte du fait que les procédés OI et EDI présentent une quantité totale moindre de solides dissous. Si l’on prend cette donnée en considération, il appert que la quantité de sels asséchés produits par chacun des procédés est complètement différente.

De plus, les flux de déchets se composent d’une solution hautement contaminée au nitrate, ce qui peut potentiellement recontaminer les eaux souterraines si ces flux ne sont pas contrôlés.

Les coûts en capital et d’exploitation deviennent donc des facteurs clés dans la prise de décision et lorsqu’ils sont comparés adéquatement, les retombées possibles sont très intéressantes. Par exemple, dans un des cas, l’OI s’avérait le choix le moins cher, mais était le plus coûteux à exploiter.

Procédé de traitement biologique

Avant de produire de l’eau potable par procédé de dénitrification biologique, un défi se posait : il fallait obtenir l’approbation du ministère de la Santé de l’Australie-Occidentale pour acheminer l’eau traitée dans le réseau de distribution d’eau potable.

Les premières rencontres avec le ministère de la Santé ont eu lieu en 2009 afin d’établir les protocoles à suivre et de discuter des principales préoccupations relatives à ce processus biologique. Les conclusions ont été encourageantes et par la suite, le ministère de la Santé a participé aux décisions concernant le premier site d’essai du procédé. Le site d’origine, situé dans la localité de Blackstone, a été choisi en raison de la grande qualité de l’eau dans ce secteur. Elle contenait peu de sels dissous, un niveau raisonnable d’alcalinité carbonatée ainsi qu’une concentration moyenne de nitrate de 70 mg/L. Un autre site à proximité, à Jameson, a été choisi pour les mêmes raisons.

Les soumissions ont été reçues au cours de février 2010 et une commande a été passée pour les deux localités. Les installations, une fois construites, allaient devenir les plus vastes du genre au monde, même avec une capacité de 350 m3/jour. Le contrat pour deux systèmes encapsulés d’élimination biologique des nitrates a été octroyé en 2010.

Même si les deux usines ont été construites en même temps, la mise en service a été effectuée d’abord à Blackstone, afin d’apprendre de l’expérience et d’appliquer d’éventuels changements à Jameson avant sa mise en service. Le processus de mise en service s’est amorcé en 2011 et la vérification de la qualité de l’eau potable, en 2012. Bien que le procédé biologique ait permis une diminution des nitrates, un certain nombre de problèmes sont survenus, notamment une augmentation des nitrites au-delà de la limite sécuritaire pour la santé, qui s’est même accentuée au cours de la période d’essai. Le média de filtration du fournisseur qui avait à l’origine fourni les détails de dimensionnement de l’usine n’a jamais pu atteindre un niveau acceptable de qualité de l’eau potable. WSP a été mandatée pour assister l’entrepreneur au cours de la seconde phase d’essais; elle a ainsi pu établir que le temps de rétention n’était pas suffisant et que les méthodes de tests n’étaient pas entièrement comprises.

Plusieurs modifications ont été apportées à la conception, après quoi le système a de nouveau été soumis à des essais et contrôlé pendant une plus longue période. WSP a mis en œuvre les changements afin d’améliorer les résultats du procédé.

La mise en service s’est conclue vers le milieu de 2014. Une fois l’usine prête et opérationnelle, son rendement a été contrôlé tous les six mois. Le rapport d’évaluation a été préparé et déposé au ministère de la Santé de l’Australie-Occidentale, puis, en 2015, l’eau traitée a pu être acheminée dans le système de distribution.

Les activités de la seconde usine, à Jameson, ont été suspendues jusqu’à ce que la preuve soit faite que la première usine pouvait produire de l’eau potable de qualité et que le ministère de la Santé donne son aval. Cependant, il fallait remplacer le média de filtration de l’usine de Jameson. Or, le fournisseur d’origine étant très peu réactif, WSP a dû se tourner vers un autre fournisseur, européen celui-là. Lorsque les modifications découlant des leçons retenues ont été appliquées à l’usine de traitement par élimination biologique des nitrates de Blackstone, la qualité de l’eau a rapidement atteint les niveaux requis. L’usine de Jameson a commencé à fournir de l’eau potable à la localité en 2016.

RÉFÉRENCES

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